Co je to ECU pro ovládání řízení?

Úvahy o balení pro stavbu elektronických řídicích jednotek (eCus) pro pohon elektromotorů používaných v aplikacích elektrického posilovače řízení.

Elektrický posilovač řízení se dobře etabloval na trhu automobilů. V zásadě existují dva typy: elektrohydraulický posilovač řízení (EHPS), kde elektromotor pohání hydraulické čerpadlo (podobné čerpadlo se používá u klasického posilovače řízení) a elektrický posilovač řízení (EPS), kde elektromotor přímo napomáhá pohyb řízení.

Zatímco podle aktuálního průzkumu trhu se penetrace EHPS pohybuje kolem 8 % a v příštích několika letech zůstane konstantní, EPS se považuje za velmi silný růst. V současné době je tržní podíl EPS 25 % a očekává se, že bude vybaveno každým druhým prodaným vozidlem v příštích 10 letech.

EHPS je systém s více komponentami ve srovnání s EPS, protože vedle elektromotoru, obvykle bezkomutátorového stejnosměrného proudu (BLDC), a nezbytné elektronické řídicí jednotky (ECU) stále zachovává hydraulické čerpadlo. Výhodou EHPS oproti konvenčnímu posilovači řízení je, že pohon hydraulického čerpadla lze ovládat a stává se energeticky účinnějším. Čerpadlo nemusí vytvářet tlak, pokud je zapotřebí pouze malé nebo žádné řízení. Toho nelze dosáhnout konvenčním systémem posilovače řízení (nebo jen s velkým úsilím a náklady), protože čerpadlo je poháněno přímo přes spalovací motor.

Pro EPS již není žádný hydraulický systém. Elektromotor přímo napomáhá pohybu řízení. Absence hydraulického systému znamená nižší náklady. V případě poruchy se však zvyšuje riziko působením elektromotoru přímo na sloupek řízení. To vedlo ke zpoždění při zavádění těchto systémů a otevřelo příležitost na trhu pro EHPS, který je s ním spojen menším rizikem v případě selhání. Díky redundanci kritických dílčích součástí (podobně jako v leteckém průmyslu) a rozsáhlému ověřovacímu testování se však toto riziko podařilo snížit.

Další evolucí posilovače řízení budou systémy steer-by-wire, kde již neexistuje žádné mechanické spojení mezi volantem a řízenou nápravou. Elektromotor řídí přímo a pohyb volantu řidičem je detekován pouze senzory a sdělován motoru.

K pohonu elektromotoru je zapotřebí jednotka ECU, jak je znázorněno na obrázku 1. Skládá se ze tří základních funkčních bloků:

1. Řídicí modul.
2. Napájecí modul.
3. Ovládací software.

Řídicí modul řídí výkonový modul zapínáním a vypínáním vypínačů a prováděním určitých diagnostických funkcí. Napájecí modul se skládá ze tří polovičních můstků. Každý poloviční můstek napájí jednu fázi třífázového elektromotoru. Výkonové spínače jsou tranzistory s efektem pole (FET). A řídicí software se skládá z algoritmů pro řízení rychlosti a točivého momentu elektromotoru.

ŘÍDÍCÍ MODUL

Tento modul se skládá z mikroprocesoru, který je osazen na desce plošných spojů spolu s periferními součástkami. Modul vyžaduje několik vstupů, např. signály z úhlových snímačů, které určují přesnou úhlovou polohu rotoru elektromotoru (existuje i bezsenzorový pohon, kde je úhlová poloha odvozena z odezvy na impulsy superponované na fázových signálech). Sleduje teplotu výkonového modulu, chrání před přepětím a proudy a provádí nouzové strategie v případě poruchy.

Řídicí modul řídí výkonový modul prostřednictvím svých výstupních signálů. Sekvence zapnutí/vypnutí závisí na požadavcích na rychlost a točivý moment systému řízení.

Tento modul dodává energii do třífázového elektromotoru (většinou bezkomutátorového stejnosměrného proudu). Výkonové spínače jsou poháněny typicky sinusovou pulzní šířkovou modulací, která vede k sinusovému signálu na fázových výstupech výkonového modulu.

Technologie balení a propojení modulu musí být optimalizována z hlediska tepelného managementu, protože modul produkuje značné ztráty energie prostřednictvím vedení a spínacích ztrát výkonových spínačů. To se provádí optimalizací teplot přechodu výkonových spínačů FET pomocí tepelné simulace (obrázek 2) a variací sestavy. Dále je ověřena prototypováním a měřením infračervenou kamerou (obrázek 3).

Zapínání a vypínání FETů také vyžaduje speciální design. Například, protože parazitní dioda komutačního nízkofrekvenčního FETu je ve zpětném chodu, zapnutí vysokofrekvenčního FETu může mít za následek vysoký proudový impuls. Pokud nyní vysokofrekvenční FET přebírá fázový proud příliš rychle, způsobí to, že dioda je stále vodivá i během doby zpětného zotavení (obrázek 4). Naopak vypnutí FET spínače může vést k přepětí v důsledku rozptylových indukčností vodivých drah a rychlosti vypínání. Protože posledně jmenovaný je obvykle diktován systémem (a pomalejší vypínání by zvýšilo spínací ztráty), zaměřujeme se na co největší snížení rozptylové indukčnosti.

V případě značného přepětí (obrázek 5) se FET může dostat do laviny. Tím se stáhne napětí a proud v rozptylové indukčnosti se může snižovat. Avalanche je vratná a platná operace pro FET. Ztráty při lavinové události jsou však značné a je třeba zkontrolovat, zda teplota na křižovatce zůstane pod svým specifikovaným maximem (typicky 175 °C pro modul).

Řídicí modul vyžaduje měření proudu můstku, aby bylo možné určit krouticí moment. Tento proud je měřen uvnitř výkonového modulu pomocí bočníku. Tento odpor musí mít dostatečně nízký odpor, aby se udržely nízké výkonové ztráty nebo zkreslily fázové signály. Musí však mít dostatečně vysoký odpor, aby bylo možné přesně měřit napětí.

Uvnitř napájecího modulu je také umístěn termistor pro tepelnou ochranu. Termistor je umístěn v těsné blízkosti FET, aby co nejlépe změřil teplotu přechodu.

U posilovače řízení EHPS v normálním provozu se motor neustále točí, aby udržoval čerpadlo pod tlakem. To znamená, že vodivé FET spínače se neustále střídají a dodávají fázím proud v souladu se směrem otáčení motoru. Tím se sníží průměrný proud pro konkrétní FET ve srovnání s fázovým proudem a teplota přechodu dosáhne určité průměrné rovnováhy (tepelné průměrování).

Systém EPS může mít také provozní režimy bez rotujících elektromotorů.

To je případ, kdy je motor požádán, aby poskytoval pouze statický krouticí moment (jako tomu bude v případě, kdy auto parkuje přímo u obrubníku). V tomto případě bude proud protékat neustále přes konkrétní FET a proud na FET je podstatně vyšší. Výkonový modul musí být pro tento extrémní případ dimenzován a požadavky na EPS jsou proto obvykle vyšší než na EHPS.

Potřebný software pro ovládání elektromotoru lze rozdělit do dvou bloků: základní řízení motoru, např. pomocí prostorového vektorového řízení (to generuje potřebnou pulzně šířkovou modulaci (PWM) pro všech šest FET spínačů výkonového modulu) a nadřazený systémový software s komunikačními protokoly, bezpečným provozem a diagnostickými funkcemi. Bezsenzorový provoz vyžaduje další výpočetní výkon, protože software musí převádět odezvu superponovaných pulzů na úhlové informace rotoru.

Technologie balení pro systém EHPS a EPS může být podobná. Kvůli kabeláži a prostorovým omezením je jednotka ECU obvykle integrována někde v systému řízení. Jednou z možností je integrovat modul do střední příruby systému řízení. Je vyrobena z hliníku a poskytuje dostatek prostoru pro jednotku.

Napájecí modul je potřeba připevnit na rovný hliníkový povrch, aby měl dostatečný přenos tepla a tím i chlazení (viz postranní lišta). Řídicí modul se skládá z osazené desky plošných spojů. Může být připevněn buď přímo k hliníkové rovině středové příruby, nebo může být umístěn na nálitcích nad napájecím modulem v případě, že PCB má komponenty na obou stranách. Napájecí modul a ovládací modul jsou propojeny průchozími kontaktními vodiči nebo jinou vhodnou technologií (spojovací vodiče, flex fólie, press-fit pera). Plastový nosič s integrovaným olověným rámem lze použít k uchycení větších součástí, jako jsou elektrolytické kondenzátory, a jejich vzájemnému propojení.

Požadovaná jednotka ECU pro elektrické řídicí systémy již nějakou dobu dosáhla stavu výroby. Skládá se z kompaktního řídicího modulu jednotky, který se skládá z řídicího modulu a výkonového modulu. Ovládací software řídí všechny potřebné funkce elektromotoru. ECU pro EHPS a EPS dodržují do značné míry podobné konstrukční principy, ale je třeba podrobně prozkoumat rozdíly ve specifických režimech provozu.

1. Infineon Application Note, V 1.1, červenec 2006, str. 7.
2. Semikron Application manual, 2004, str. 42.
3. Vishay Semiconductor Application Note (dokument č. 88842), 18. července 2002, str. 2.
4. Maxim Application Note 848, 12. listopadu 2001, str. 4.
5. Vishay Siliconix AN601 (č. dokumentu: 70752), 15. února 1994, str. 2.

Peter Sommerfeld je ředitel Electronic Motion System pro programový management a marketing v německém Willichu.

Technologie balení pro napájecí modul

Kvůli prostorovým omezením a hustotě výkonu konstrukce výkonového stupně s diskrétními součástkami často nesplňuje požadavky. V tomto případě se používají výkonové moduly specifické pro aplikaci. Běžnou konstrukcí takového výkonového modulu je použití měděného substrátu s přímou vazbou (DBC), který se skládá z keramické dlaždice potažené na obou stranách mědí. Tento substrát může být strukturován a FETy k němu mohou být připájeny ve formě holé křemíkové matrice. Plastová vložka lisovaného olověného rámu poskytuje vnější kontakty (obrázek 6).

Alternativním přístupem je design CoolPAK. Zde je holá silikonová matrice připájena přímo k vložce lisovaného olověného rámu. Přídavný substrát není vyžadován, jak je znázorněno na obrázku 7. Olověný rám směřující k chladicímu povrchu je vystaven z plastu, aby vedl teplo. Pomocí malých výstupků v plastu je zabráněno zkratu mezi olověným rámem a chladicím povrchem (obrázek 8).

EPS-ECU je namontována na panelu pod podlahovou konzolou a obsahuje obvod vstupního rozhraní, mikropočítač, výstupní obvod, bezpečnostní relé a relé motorového vedení.
Integruje také funkci autodiagnostiky a rozsvítí se výstražná kontrolka na kombinovaném měřiči, když dojde k problému. Současně odešle diagnostický kód(y) do diagnostického konektoru.

MŮŽE KOMUNIKOVAT

EPS-ECU komunikuje s ostatními ECU a dalšími jednotkami prostřednictvím komunikace CAN pro ovládání systému řízení.

Vstupní signály	Odeslána
	EV-ECU	ASC-ECU	Kombinovaný měřič	ETACS → Diagnostický konektor
signál READY	CAN komunikace	–	–	–
Rychlost vozidla	–	CAN komunikace	–	–
Informace o vzdálenosti (další informace o diagnóze)	–	–	CAN komunikace	–
Informace o vozidle (kontrola diagnostiky)	–	–	–	CAN komunikace

Název výstupního signálu	Přijato
	EV-ECU	ASC-ECU	Kombinovaný měřič	ETACS → Diagnostický konektor
Proudový signál motoru	CAN komunikace	–	–	–
Signál požadavku na rozsvícení výstražné kontrolky EPS	–	–	CAN komunikace	–
Signál diagnostického kódu	–	–	–	CAN komunikace
Výstupní signál servisních dat	–	–	–	CAN komunikace

FUNKCE ZABEZPEČOVANÁ PŘI PORUŠENÍ

Pokud EPS-ECU detekuje jakoukoli poruchu, rozsvítí výstražnou kontrolku EPS, deaktivuje funkce EPS a poté přepne systém řízení do manuálního režimu.

DIAGNOSTICKÁ FUNKCE

• Výstup diagnostického kódu
• Výstup seznamu dat

VÝSTUP DIAGNOSTICKÉHO KÓDU

Existuje 22 diagnostických položek. Protože jsou všechny diagnostické výsledky zaznamenávány do energeticky závislé paměti (EEPROM*), jsou ukládány do paměti, i když jsou odpojené svorky baterie.

• *EEPROM (Electrical Erasable & Programmable ROM): Speciální typ paměti, kterou lze naprogramovat nebo vymazat elektricky.
• Diagnostické položky naleznete v Dílenské příručce.

VÝSTUP SEZNAMU DAT

Pomocí M.U.T.-III lze číst vstupní data odeslaná ze snímačů a motorů.

na vědomí

Položky seznamu dat naleznete v Dílenské příručce.